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在你们为诺奖欢呼时,我却只想静静重温一遍《星际穿越》

就在刚刚,2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三名主要成员:雷纳·韦斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 基普·索恩(Kip Thorne),以表彰他们直接探测到了引力波。

其中,一个名字引起了科幻迷的欢呼:基普·索恩


拇姬: 索恩!基普索恩!星际穿越的索恩!

宝树:终于出了个我看过其著作的诺贝尔自然科学奖得主!

嫣然一笑: 吉普索恩是霍金的好朋友,星际穿越的科学顾问诶~

Synthcat:只认识最后一个,还是因为电影认识的


没错,就是他。

基普·索恩,《星际穿越》的科学顾问。就是他,直接促成了人类电影史上最逼真的黑洞——卡冈图雅。

卡冈图雅。图片来源:Interstellar剧照


出品:科普中国  果壳网

作者:Adam Rogers

翻译:sorceress_60884

编辑:Ent,Calo



“当然啦,黑洞就应该是这个样子的。”当基普·索恩(Kip Thorne)望着在他的帮助下建立起来的黑洞时,心里便是这样想的。

这个黑洞其实是一个有史以来最精准的黑洞模型。在《星际穿越》的电影里,它以接近光速旋转着,将宇宙的物质一点点地吸引过去。(这就是引力,相对论超诡异的。)理论上讲,黑洞本是一颗恒星,然而它最终没有熄灭或爆炸,而是像做塌了的蛋奶酥一样,坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点(singularity)。一道光轮环绕着里面的球形大漩涡,看起来似乎既从上面弯过去,也从下面弯过去了。

电影中展示的“黑洞”形象。为什么黑洞看起来会是这个样子?图片来源:wired.com

但这一切都十分自然,因为黑洞附近常常发生奇怪的事。例如,黑洞引力极大,以至于弯曲了宇宙的结构。爱因斯坦对此进行了解释:质量越大的物体,产生的引力就越大。像恒星和黑洞这样的物体就能产生巨大的引力,导致光线弯曲,时空扭曲。更神奇的是,如果你离黑洞比我近,我们对时间和空间的感觉会不一样。相对来说,我的时间会过得快一点

索恩从这个模型中看到了什么?

作为一个天体物理学家,他的数学知识引导着这一迷人视效的诞生——这是有史以来对黑洞面貌的最准确的模型。同时,这个模型还是30个人、数千台计算机一年的工作成果。除此之外,这个黑洞还和一群星光熠熠的好莱坞明星联系在一起。因为这个黑洞模型是电影《星际穿越》的核心。

索恩从这个模型中看到了真实。而技艺非凡的图像制作师克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)导演,看到的则是美。黑洞,即使是虚构的,也能让人的感知翘曲。

1972年的索恩。A. T. Service/ Wikipedia

索恩可不是那种普通常见的天体物理学家。确实,他是很出名的理论家——刚刚还拿下一座诺贝尔奖——但是在他退休前,他就非常乐于向大众解释伤人脑筋的相对论。快退休时,索恩和制片人琳达·奥布斯特(Lynda Obst)——索恩和琳达已经相识了30年,当年还是卡尔·萨根(Carl Sagan)给他俩安排了一场盲约会——就在谈论要不要制作一部涉及到黑洞与虫洞神秘性质的电影

不久之后史蒂文·斯皮尔伯格(Steven Spielberg)签约导演这部影片,编剧乔纳森·诺兰(Jonathan Nolan)写了一个剧本。不过最后斯皮尔博格退出,乔纳森的哥哥,以《记忆碎片》、《盗梦空间》这种把人绕晕的片子而闻名的导演克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)接手。

在克里斯托弗·诺兰重写他弟弟的剧本的同时,他想弄明白这个故事核心里的科学内容。于是,克里斯托弗·诺兰开始与索恩见面。

《星际穿越》的科学顾问兼制片人、理论物理学家基普·索恩。图片来源:《科学》

2013年头几个月里,索恩和诺兰在探讨被物理学家称为“宇宙的翘曲一侧”的问题,如弯曲的时空,现实世界的缺口,还有引力如何弯曲光线。“可以说这个故事已经彻底成为克里斯托弗和乔纳森的故事了。”索恩说道,“然而故事的精髓、拍摄一部一开头就将科学嵌入的电影这一目标,与这其中了不起的科学都得到了保留。”

电影制作者们构思到的这个故事设定在一个反乌托邦的近未来:那时粮食将无法生长,人类处于灭绝的边缘。一位退役宇航员(麦康纳饰演)被征募进行最后一次飞行任务,这个孤注一掷的任务是寻找另一个能令人类生存并复兴的星系。

图片:Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

那么,问题来了。

其他恒星离地球那么远,哪怕到达最近的几个恒星起码也要花几十年,而且连能在几十年内到达目的地的那个速度我们都不知道要怎么达到。不过早在1983年,当卡尔·萨根为他的小说寻找一种可行方案的时候(那部小说后来被拍成了电影《超时空接触》),索恩建议他使用虫洞,一个假想的宇宙裂口,它利用超越四维时空的更高维度连接两个相距遥远的点。所以对于《星际穿越》来说,虫洞也是不二选择。当索恩和诺兰讨论这部电影的时候,对于虫洞物理性质的探讨不可避免地向电影制作者提出一个问题:要如何将虫洞表现在荧幕上?

而这并非唯一让电影特效团队头疼的物理学。诺兰的故事依赖于时间膨胀:不同角色的时间过得不一样。为了让这点在科学上说得过去,索恩告诉诺兰他需要一个极大的黑洞——电影里这个黑洞叫“巨人”(Gargantua)——而且这个黑洞要以接近光速的速度旋转着。作为一个电影制作者,诺兰不知道如何将这种东西表现得真实可信。不过他知道谁可以帮他实现这个效果。

“克里斯打电话跟我说他要派个人来我家谈谈视觉效果的事情,”索恩说,“我就答道,‘当然,请他过来吧。’”

不久后保尔·弗兰克林(Paul Franklin)就到了索恩家。

影片中,花朵状的永恒号太空船正在接近虫洞。图片:Paramount Pictures and Warner Brothers Entertainment

弗兰克林知道他的电脑总能完成他的任何要求,这既是一个问题又是一种诱惑。“我们很容易落入陷阱,结果打破现实的规律,”这位赢过奥斯卡最佳特效的视觉特效工作室“双重否定”(Double Negative)的高级主管说,“而这些规律可是相当严格的。”

因此,他叫索恩写出一些公式,使他们的特效软件能反映出符合物理规律的真实世界。他们从虫洞入手。如果光在虫洞附近会一改经典规律——以直线传播——这会变得怎么样呢?要如何用数学来描述这一点呢?

黑洞扭曲光的示意图。图片来源:Kip Thorne

索恩递给弗兰克林的答案是一份研究深入的备忘录。这备忘篇幅很长,到处是引用来源,写满了方程,看起来更像是科学期刊里的论文。弗兰克林的团队基于这些公式写了新的渲染软件,然后将虫洞制作了出来。效果令人惊叹。这个虫洞就像是照出这个宇宙的水晶球,是时空里的一个洞。

“科幻小说总喜欢把事情弄得神乎其神,似乎普普通通的宇宙总不能让他们得到满足,”弗兰克林说,“而我们从这个软件中直接得到的结果就已经让人难以忘怀了。”

基普·索恩的新书《〈星际穿越〉的科学》,详细介绍了这部影片的科学设定。图片来源:mshcdn.com


虫洞的成功让特效队伍大胆地用同一方法制作黑洞。但是黑洞,看这个名字就知道,是光的杀手。电影制作者常用一种称为光线追踪的技术来渲染图像的光和反射效果。“然而光线追踪软件都会使用一个通常来说合情合理的假设,那就是光沿直线传播,”“双重否定”的CG(计算机图形)监管欧也妮·冯·藤泽尔曼(Eugénie von Tunzelmann)解释到。因为黑洞遵循的可是一种完全不一样的物理规律,“我们就只能再写一个全新的渲染器了。”

有些单帧要花上100个小时来渲染,引力透镜这种爱因斯坦效应导致的小小弯曲让计算变得非常繁重。到了最后,这部电影占据了将近800TB的数据。冯·藤泽尔曼说,“我还担心这次我们可能要突破1 PB数据大关了。”

卡冈图雅。图片来源:Interstellar剧照

“克里斯托弗希望我们能向观众传达黑洞是球状的这一信息,”弗兰克林说,“我就跟他说,‘你知道的,它看起来会像是个圆盘。’你唯一能看到的就是它如何使笔直的光线拐弯。”过后弗兰克林开始阅读吸积盘(accretion disks)的内容。吸积盘是一团凝聚在一起的物质,它围绕着黑洞旋转。弗兰克林发现他可以用这圈环绕的碎石来确定黑洞的外观。

按照设定,“卡冈图雅”周边的吸积盘,是大黑洞撕掉了一颗红巨星之后捕获的。不过这张示意图中的黑洞,就远没有电影《星际穿越》里那么真实了。图片来源:huffingtonpost.com

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